电脉冲、超声和超高频局放传感器检测波形对比

徐先新,孙鹏,王科,彭晶,项恩新,孙宏斌

(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217; 2.云南电网公司电力研究院,昆明 650217; 3.江苏金湖供电公司,江苏 金湖 211600)

电脉冲、超声和超高频局放传感器检测波形对比

徐先新1,孙鹏2,王科2,彭晶2,项恩新2,孙宏斌3

(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217; 2.云南电网公司电力研究院,昆明 650217; 3.江苏金湖供电公司,江苏 金湖 211600)

基于传感器获取局部放电信号,在对信号特征及信号分布进行分析统计的基础上,可以实现不同类型局放传感器对不同绝缘介质下典型缺陷的基于频谱、放电量、放电机理、放电类型的基础研究。本文对电脉冲、超声、超高频传感器获取的波形对比分析进行了综述,并介绍了基于波形获取的对比分析平台,以后可以依托此平台开展相关研究。

局部放电;传感器;波形

1　前言

局部放电是造成设备绝缘劣化进而引发电力系统事故的重要原因,也是反映设备绝缘状况的重要征象,因此局部放电检测和基于检测结果的评价也就成为绝缘状况监测的重要手段[1-2]。

在局部放电的过程中,除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外,同时也产生了各种非电的信息,如产生声波、发光、以及出现新的生成物等。通过检测产生这些现象所伴生的脉冲电流、电磁波、声波等物理量可以开展放电状态的判定,由此相应地出现了很多局部放电检测技术[3-7],其中脉冲电流法、AE(超声法)和UHF的研究与应用居多,是最常用的三种局放检测技术。从表1给出的常见局放检测技术的特点比较分析可以看出,每种技术均有其不同的优缺点与适用范围。进行不同检测技术局放结果的对比分析,优选检测仪器,成为了国内外研究者关注的方向[8-13]。文中从电脉冲、超声和超高频传感器获取的局放波形出发,综述了不同检测技术波形对比研究现状,搭建了基于波形获取的局放研究平台并初步验证了平台设备的试验性能。

2　超高频法与电脉冲法波形对比

脉冲电流法可以在实验室环境下实现放电量的定量检测,但是不能很好地适应带电检测以及防止现场检测中电磁干扰的影响,而UHF提供了一种非接触式的局放检测方法,由于其检测频率高等特点,在现场检测方面具有很大的优势。通过超高频与电脉冲法的原始信号波形对比分析,研究两种方法的信号关系,使在线、定量检测局部放电成为可能,成为了目前局放领域研究的热点和难点。

国内外众研究者搭建了相关实验室局放模型,利用示波器采集UHF与脉冲电流法的信号波形,进行了很多基于局放波形的两种技术对比分析研究。

2.1超高频信号幅值与视在放电量关系

视在放电量 (pC)可以由成熟应用的基于IEC60270的装置测得,研究通过示波器采集到的UHF信号幅值 (mV)与视在放电量的关系,以UHF信号幅值为标准直观地判断视在放电量的大小,是一种基础、有效的研究方向。

相关研究证明,UHF信号幅值与视在放电量的关系受到不同绝缘介质、不同缺陷类型、UHF传感器相对于放电源的角度和距离的影响,但是均存在线性关系[14-15]。

2.2超高频信号能量与视在放电量的关系

考虑到超高频与脉冲电流法的参数对应关系,很多研究者将检测到的UHF信号幅值 (dBmV)转换为信号功率 (dBm)与视在放电量进行了对比。

文献 [16]的作者设计了油中内部缺陷、沿面放电、油-屏障放电、悬浮放电四种模型,研究了变压器典型缺陷的UHF信号功率与视在放电量的关系,只有沿面放电模型下的参数关系与拟合曲线y=-123+56x1/12有很好的吻合度,而其他三种模型的参数关系不是很明显,但是四种模型的参数关系均证明了UHF与脉冲电流法有着相同的变化趋势。

由于dBm并非电磁能量的真实数值,很多研究者提出以UHF瞬时输出功率的数值积分作为UHF信号的能量,即

其中：Vi是UHF信号波形的第i次采样值, RL是检测阻抗,Δt是采样间隔。

Glary与Mudd[17]等人采取了以下近似步骤：

1)UHF传感器是无源、线性的,则传感器输出信号 V与传感器探头处辐射场强度 E成正比。

表1　脉冲电流法、AE、UHF特点比较分析

2)E是脉冲电流变化率di/dt的函数,若仅考虑电流脉冲波形的幅值,则di/dt与电流峰值IP存在比例关系,所以 E与 IP的幅值是正比关系。

3)因为脉冲电流波形是相似的,则其电流峰值IP与视在放电量q存在正比的关系。

以上推导再结合式 (1)可得出U∝q2。

为了证明这一关系,Glary搭建了油中尖板、自由金属微粒等缺陷模型,利用示波器采集到的两种信号进行了处理并加以对比。证明了尖板缺陷模型下,正半周期的U与q存在二次曲线的关系,即U∝q2,负半周期的U与q就不存在此种关系。而自由金属微粒缺陷模型下,正负周期的曲线均满足U∝q2。

在以上成果的基础上,国内的唐炬等人定义了一个新的计算放电量q的公式[18]：

式中,q为放电量,RL是检测阻抗,Ui是检测阻抗测到的一次波形中的第i个值,Δt是采样间隔。

搭建了油中自由金属微粒放电缺陷模型,验证了铜屑、铜片、铜粉三种金属微粒缺陷在不同电压下的q与UHF累计能量U式 (1)的关系,结果证明其存在二次曲线的关系,可以通过计算UHF累计能量U来获得视在放电量。

GIS中UHF信号与放电量的关系也是UHF检测的难点,张晓星[19]等人搭建了GIS金属突出物缺陷、自由金属微粒缺陷、绝缘子表面污染物缺陷等实验室模型,研究了不同电压下UHF信号能量式 (1)与放电量 (IEC60270标准)的关系,引入可决系数fd来判定两者的相关程度：

试验结果证明GIS中缺陷类型的UHF信号累计能量U与q2的线性关系具有很高的可决系数,其中金属突出物的fd在0.9以上,可以利用UHF信号累计能量进行视在放电量的定量分析。

2.3超高频与脉冲电流法的波形

每一次局放放电都会产生一个陡的电流脉冲,辐射出大量的电磁波。若能通过电磁信号波形推测出脉冲信号波形或参数,则通过对电磁波形的处理,就能解决定量分析局放严重程度的问题。

周立行[20]等人从电磁辐射理论出发,分析了局放脉冲电流辐射场的横电磁波特性,推导出在近场条件下的局放脉冲电流i(t)与辐射电磁场的时间积分存在正比的关系,即：

为了验证这一公式,利用采集到的油中针-板放电UHF信号波形进行波形反演,并将反演出的脉冲信号波形与真实波形进行了对比,结果证明反演估算的波形与真实波形基本接近,仅在上升沿存在误差。

3　超声法与脉冲电流法的波形对比

超声法具有较高的灵敏度,在现场检测中得到了很快的发展,广泛应用于局放定位等领域,研究超声信号与电脉冲信号的关系,利用超声信号评定局放严重程度,成为了超声法研究的难点。类比UHF与脉冲电流法的对比分析方法,利用什么特征量、在什么检测环境下进行对比,很多学者进行了研究。

3.1检测时域选择

文献 [21]的设计了油箱模拟变压器环境,在两块圆板电极间设置多张油浸绝缘纸模拟内部放电缺陷,三个超声传感器分别放置于油箱的三个面,并将超声信号接入多通道示波器,脉冲电流的信号为超声信号的时间参考。分析了超声传感器所检测到的局放事件数与超声信号到达时间TOA的关系,在对应最大局放事件数的TOA±5 μs范围内,对比了三个超声传感器信号 (V)与脉冲信号 (V)的关系,证明了其存在线性的关系。

3.2检测频域选择

文献 [22]的作者研究了不同频带对电脉冲信号和超声信号的对比分析结果影响。研究过程如下：

1)选择油中尖板缺陷模型,以处理过的超声信号为基准,研究正负流注放电与不同检测带宽下的视在放电量与超声信号关联度最优的检测带宽。

2)在这一最优带宽下,进一步研究了包括不同间距的尖板缺陷、沿面放电、内部放电等油中缺陷的超声信号与视在放电量的关联度。

3)试验结果证明,不同间距的尖板缺陷关联度大体相似,仅仅在幅值上略有不同,沿面放电与内部放电的关联度不明显,并且内部放电的AE信号幅值比较小,可能是由于AE信号在油纸层中的衰减所致。

4　分析与讨论

1)对于局放信号波形的对比分析研究,主要集中于利用UHF信号与电脉冲信号的关联性解决UHF定量检测局放的问题,国内外的研究成果至今为止都仅给出一个初步的定量结果,没有能给出涉及常见绝缘介质、缺陷类型等的综合性研究结果。故对于今后的研究而言,应该在完善局放机理的过程中,得出绝缘介质、缺陷类型、检测环境、检测设备等因素对关联性影响的综合分析结果,寻找建立标准测试条件的可能。

2)超声与电脉冲波形信号的对比分析研究成果较少。随着技术的发展,充分发挥超声检测法在现场检测的优势,弥补电脉冲法无法现场检测的不足,以实现超声法的定量检测为目的研究还有待开展。

3)局放类型识别方面,现有研究主要以二维Φ-q、三维Φ-q-n等谱图来实现类型识别,利用波形特征进行类型识别的研究较少。高采样率UHF信号在现场检测中存在样本存储量大等问题,而基于波形对比分析的局放类型识别只提取单个或多个放电脉冲,分析不同的时域信号特征与分布,在解决存储问题的同时又能全面了解局放的本质特征,提高检测系统识别放电信号和干扰信号的能力。

5 基于波形获取的对比分析平台

搭建了基于波形获取的对比分析平台,为防止当试品击穿后过大的电流损坏测试仪器,采用并联法回路进行检测。其中T1为调压器,T2为交直流无晕试验变压器;R为保护电阻,起限流作用;Ck为耦合电容;Zm为脉冲电流检测阻抗; UHF和超声的传感器放置在试品附近,距离可调。当试品中产生局放信号时,既可以通过示波器和频谱仪记录不同传感器信号的波形和频谱,也可以通过局放检测仪进行常规测量。

根据电气设备采用绝缘介质的不同,制作了三类主要缺陷模型,分别是充油缺陷模型、空气缺陷模型、SF6填充缺陷模型。可以模拟包括变压器、GIS、开关柜、断路器等设备的常见绝缘缺陷,诸如尖端放电、自由金属微粒放电、悬浮电位放电、内部放电等。如图1(缺陷模型在不充SF6和油的情况下,均可以模拟空气中的放电缺陷)所示。

图1　试验平台接线图

本平台配置有多种常规局放检测仪和时频信号采集设备包括多通道数字采样示波器、频谱仪、MPD600脉冲电流检测仪、DMS超高频检测仪、AIA超声检测仪及多种类型传感器,图2为基于各类测试仪器的测试数据。

6 结束语

本文综述了电脉冲、超声和超高频局放传感器检测波形对比研究现状,介绍了基于波形获取的对比分析平台,依托本平台可开展：

1)常用局部放电传感器信号的关联性对比分析,寻找关联度最优的检测条件,探讨优选检测仪器的可能性。

图2　各类型测试仪器的测试数据

2)常用局部放电传感器信号的波形对比分析,研究基于波形特征参数的局放识别方法,并将其与常规检测法进行比对。

3)不同放电阶段信号的时域与频域特征分析。通过特征量的聚类与关联分析,研究利用信号的时频特性作为定量评估放电程度的参数研究。

[1] 罗勇芬,李彦明,刘丽春.变压器局部放电的超声波和射频联合检测技术的现状和发展 [J].变压器,2003, (12)：28-31.

[2] 许中荣.大型电力变压器中局部放电信号传播特性的仿真研究 [D].重庆大学,2004.

[3] 罗亚桥.脉冲电流法和超声波法局放测试浅析 [J].电力电容器,1996(2)：31-35.

[4] Barry H.Ward A survey of new techniques in insulation monitoring of power transformers[J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2001,17(3)：16-23.

[5] 兰国良,刘辉,郑涛,等.特高频和超声波局部放电综合检测技术的应用 [J].广西电力,2012,(2)：33-36.

[6] Hucker T,Krantz H G.Requirements of automated PD diagnosis systems for fault identification in noisy conditions[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995,2(4)：544-556.

[7] Krivda A.Automated recognition of partial discharges[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995,2(5)：796-821.

[8] 李燕青.超声波法检测电力变压器局部放电的研究[D].华北电力大学 (河北),2004.

[9] 黎大健,梁基重,步科伟,等.GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测 [J].高压电器,2009,(1)：72-75.

[10] Hoshino T,Koyama H,Maruyama S,et al.Comparison of sensitivity between UHF method and IEC 60270 for on site calibration in various GIS[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(4)：1948-1953.

[11] Cavallini A,Ramos C G A,Montanari G C,et al.Comparison of ultrasonic,electrical and UHF characteristics of partial discharge emission in oil/paper insu lation systems[C]//E-lectrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP),2011Annual Report Conference on.IEEE,2011：440-443.

[12] 李德军,沈威,郭志强.GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较 [J].高压电器,2009(3)：99 -103.

[13] 吴张建,李成榕,齐波,等.GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究 [J].现代电力,2010 (3)：31-36.

[14] Coenen S,Tenbohlen S,Markalous S M,et al.Attenuation of UHF signals regarding the Sensitivity Verification for UHF PD Measurements on Power Transformers[C]//Condition Monitoring and Diagnosis,2008.CMD 2008.International Conference on.IEEE,2008：1036-1039.

[15] Hoshino T,Koyama H,Maruyama S,et al.Comparison of sensitivity between UHF method and IEC 60270 for on site calibration in various GIS[J].Power Delivery,IEEE Transactions on,2006,21(4)：1948-1953.

[16] 赵晓辉,杨景刚,路秀丽,等.油中局部放电检测脉冲电流法与超高频法比较 [J].高电压技术,2008(7)：1401-1404.

[17] Cleary G P,Judd M D.UHF and current pulse measurements of partial discharge activity in mineral oil[J].IEE Proceedings-Science,Measurement and Technology,2006,153(2)：47-54.

[18] 唐炬,周加斌,胡忠,等.变压器油中局放UHF信号能量与放电量的关系 [J].高电压技术,2009,35(5)：1009-1013.

[19] 张晓星,唐俊忠,唐炬,等.GIS中典型局放缺陷的UHF信号与放电量的相关分析 [J].高电压技术,2012,38 (1)：59-65.

[20] 周力行,李卫国.利用辐射UHF信号反演局部放电脉冲电流 [J].电力系统自动化,2006(8)：75-79.

[21] Rubio-Serrano J,Garcia-Souto J A,Posada J E.Instrumentation system and digital signal processing for studying the characteristics of the acoustic and electrical signals generated by partial discharges[C]//Industrial Technology(ICIT), 2012IEEE International Conference on.IEEE,2012：573-578.

[22] Cavallini A,Ramos C G A,Montanari G C,et al.Comparison of ultrasonic,electrical and UHF characteristics of partial discharge emission in oil/paper insulation systems[C]//E-lectrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP),2011Annual Report Conference on.IEEE,2011：440-443.

12月13日从平高集团获悉,国内首台550 kV柱式复合套管断路器日前由该集团研制成功。

为完全掌握高电压等级复合套管断路器核心技术、抢占行业制高点、打破国外企业的技术垄断,平高集团于2012年6月立项启动LW10B-550(F)/YT5000-63型柱式断路器研制项目。项目依托 “宁东-浙江卤800 kV特高压直流输电工程”,由国网直流建设部牵头,平高集团为主要实施部门研制和推进国内断路器套管复合化。

550 kV柱式复合套管断路器的研制成功,填补了国内550 kV电压等级复合套管断路器的空白,为复合套管在高电压、大容量断路器上的应用做好了相应的技术研究储备工作,为下阶段复合套管断路器的推广应用奠定了良好基础。(信息来源：北极星智能电网在线)

Based on the analytical and statistical of distribution and characteristic of signal acquired from PD sensor.You can achieve basic research based on typical defects,apparent discharge,discharge mechanism,type of discharge in different types of partial discharge sensors under different insulating medium.In this paper,comparative analysis studies of acquired signals from pulse current method,AE,UHF sensor were summarized and introduced the comparative analysis research platform based on the acquired signals,then Platform can be applied to related research.

partial discharge;sensor;waveform

TM83

B

1006-7345(2014)01-0063-05

2013-05-30

徐先新 (1987),男,硕士研究生,云南电网公司华北电力大学研究生工作站,专业方向为电气设备在线监测 (e-mail) queenklomps@16 3.com。

Review of Comparison Research on PD Sensor Waveform from Electrica,Ultrasonic and UHF

XU Xianxin1,SUN Peng2,WANG Ke2,PENG Jing2,XIANG Enxin2,SUN Hongbin3

(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University&Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217; 2.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217; 3.Power Administration of Jinhu,Jinhu,Jiangsu 211600)